CN109332766B - 一种机油泵壳体内深孔高效加工*** - Google Patents

一种机油泵壳体内深孔高效加工*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机油泵壳体内深孔高效加工刀具，包括刀杆和固定安装在刀杆上的刀片，所述刀片两侧具有切削刃，所述切削刃上设置有微切削刃。具有该加工刀具的深孔高效加工***则包括振动变幅杆和压电致动器，振动变幅杆将振动传递给刀具。本发明通过刀片上的两侧微切削刃，提高切削过程的加工稳定性及工件表面质量，减少深孔内表面及圆角处的毛刺；再加上振动变幅杆与刀片的连接，将振动传递给刀片，使得切削过程中产生稳定的超声振动切削周期，进一步提高工件表面质量。

Description

一种机油泵壳体内深孔高效加工***
技术领域
本发明涉及深孔加工刀具领域，特别是涉及一种机油泵壳体内深孔高效加工***。
背景技术
机油泵壳体内部结构复杂，由于润滑冷却液在其内部管道内循环流动，其内部深孔的表面形貌及残留高度已经成为制约提高能效的一个重要因素。而深孔加工中由于受到刀具直径限制及深孔刀具悬臂长度的要求，使的刀具刚性较弱，难以实现以较高的材料切除效率进行加工，为满足加工要求，在传统的深孔加工工艺中采用较多的工序，导致切除效率较低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种切除效率高的机油泵壳体内深孔高效加工刀具。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机油泵壳体内深孔高效加工刀具，包括刀杆和固定安装在刀杆上的刀片，所述刀片两侧具有切削刃，所述切削刃上设置有微切削刃。
进一步，所述刀片两侧的切削刃中心对称设置。
进一步，所述刀片设置有多个，沿刀杆轴向间隔设置。
进一步，所述刀杆上设置有用于导屑的圆弧结构。
进一步，所述刀片的前角2-3°，后角为10-15°。
本发明还提供一种包括上述加工刀具的深孔高效加工***，还包括第一连接件和振动变幅杆，所述振动变幅杆一端装入第一连接件内，一端伸出第一连接件与刀杆或工件固定连接，所述振动变幅杆安装有一对压电致动器，用于产生轴向振动并将该振动传递给刀片。
进一步，所述第一连接件设置有截面为多边形的内腔，所述振动变幅杆插装在内腔中；所述振动变幅杆包括按顺序依次设置的配合定位段、第二连接件安装段、致动器安装段、第三连接件安装段以及刀杆连接段；所述配合定位段和刀杆连接段位于振动变幅杆两端，所述配合定位段与内腔底部配合相连，所述刀杆连接段外端与刀杆或工件固定连接；所述第二连接件安装段与内腔内壁之间安装有第二连接件；所述压电致动器安装在致动器安装段；所述第三连接件安装段设置有第一凹槽，所述第一凹槽与内腔内壁之间安装有第三连接件，所述第三连接件与第一连接件固定连接。
进一步，所述第一凹槽和第三连接件对应设置有两个且沿轴线间隔设置。
进一步，所述第二连接件安装段和致动器安装段组成一个阶梯轴，第一连接段到致动器安装段直径依次减小，所述压电致动器外圈设置有卡簧，所述卡簧靠近第二连接件安装段的外周设置有台阶，所述台阶与第二连接件安装段组成能匹配安装第二连接件的第二凹槽。
进一步，所述内腔底部设置有圆形凹槽，圆形凹槽处安装有第一垫片，所述第一垫片外端设置有圆锥形凹槽，所述配合定位段与圆锥形凹槽匹配并***安装在圆锥形凹槽内。
本发明的有益效果是：通过刀片上的两侧微切削刃，提高切削过程的加工稳定性及工件表面质量，减少深孔内表面及圆角处的毛刺；再加上振动变幅杆与刀片的连接，将振动传递给刀片，使得切削过程中产生稳定的超声振动切削周期，进一步提高工件表面质量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是刀具的安装结构示意图；
图2是刀片剖视图；
图3是刀片正面视图；
图4是图3的A处放大视图；
图5是第一连接件和振动变幅杆的连接示意图；
图6是振动变幅杆的结构示意图；
图7是第一连接件、振动变幅杆、第二连接件的连接结构剖视图；
图8是图5的D处放大视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1至图8，本发明的一种机油泵壳体内深孔高效加工刀具，包括刀杆7和固定安装在刀杆7上的刀片8，所述刀片8两侧具有切削刃，所述切削刃上设置有微切削刃83。刀杆7上安装有多个刀片8，刀片8通过螺栓、垫片均匀固定连接在刀杆7上。刀片8沿刀杆7轴向间隔设置，刀杆7安装刀片8的个数为n，依据切削加工中孔的深度h4及刀片8的长度L决定，
Figure GDA0002360191100000031
n为整数。这样刀片8能覆盖整个孔的深度。相邻刀片8之间的间距h为0.5-1um，低于超声振动变幅杆的轴向振幅。
两侧的切削刃由半径为5-8um微米的微切削刃83组成，左右两侧全部布置切削刃，上下两侧的中间位置由于加工中用不到，所以没有布置切削刃，只有上下两侧中间1/2的长度未布置切削刃，用于提高切削过程的加工稳定性及提高表面质量，如减少深孔内表面及圆角处的毛刺。切削刃的连接处以半径为1-2微米的诸多圆弧组成，用于提高刀片8的散热效果，提高工件的表面质量，降低切削力。特定结构的刀片的前角C为2-3°，后角为10-15°，刀片8中间为内凹结构，用于安装固定刀片8与刀杆7的螺栓81及垫片82，且内凹角度70-75°，避免切屑沉积在凹槽内，避免其刮伤工件表面。其余优选的尺寸为，高度h2为5-6um,h1约为10um。角度B2为25-30°，角度B3为12-15°，角度B4为70-65°，h3为15-18um。
所述刀片8两侧的切削刃中心对称设置，这样当若切削过程中刀片8磨损，则直接可以更换刀片8或者将另一侧没有磨损的一侧旋转180°安装在刀杆7上继续使用，提高刀片8寿命，减少加工成本。刀杆7上设置有用于导屑的圆弧结构71，角度B1为-50°-60°的弧度，用于将切屑导出来。
本发明还提供一种包括上述机油泵壳体内深孔高效加工刀具的深孔高效加工***，还包括第一连接件1和振动变幅杆2，所述振动变幅杆2一端装入第一连接件1内，一端伸出第一连接件1与刀杆7固定连接，所述振动变幅杆2安装有一对压电致动器，用于产生轴向振动并将该振动传递给刀片，当然只要工件与刀具之间产生超声振动即可，也可以将工件装夹在振动变幅杆2端部，将第一连接件1固定在工作台即可，本加工***具体为机床，包括工作台、动力***和刀具主轴等机床的基本结构。
下面具体介绍振动变幅杆的相关结构。
所述第一连接件1设置有内腔11，内腔11沿其外圈轴线延伸。振动变幅杆2插装在内腔11内，其轴线与第一连接件1外圈或内腔11的轴线重合。内腔11的截面可以是圆形或者对边形，为了振动变幅杆2不随意转动，本实施的内腔11的截面为多边形，用于传递和承受扭转力矩，优选地，内腔11截面为正六边形，当外界条件一定时可以保持其刚性最大。
所述振动变幅杆2的材料采用钛合金，工作频率内材料损耗少，抗疲劳强度高，声阻抗率小，可以承受较大的振动速度和位移振幅。阶梯形状的振动变幅杆2在截面突变处有很大的应力集中，接近突变处容易发生因疲劳而断裂的问题，故在突变处采用高斯曲线及圆弧、锥线过渡，能够降低应力集中值。振动变幅杆的末端过渡处1个高斯曲线过渡，横截面积较小的一段的直径约为直径较大的一段的1/2，横截面积较小段长度约为横截面积大段2/3，这是由于在深孔加工中，刀具的悬臂较长，轴向径向刚度相对较低，受力后容易产生变形，为了提高深孔加工过程中刀具的稳定性，超声振动辅助加工***的轴向与径向的幅值比值不低于4:1，这减少了横向振动引起的刀具偏离预定的路径，避免了当刀具从未切落的材料上退回时刀具撞到工件的可能性；末端采用1个高斯曲线过渡的原则首先是提高振动变幅杆的使用寿命，使的振动变幅杆处于等应力状态。
如图3和图4所示，振动变幅杆2包括按顺序依次设置的配合定位段21、第一连接段22、第二连接件安装段23、致动器安装段24、第三连接件安装段25以及刀杆连接段26。第一连接段22、第二连接件安装段23、致动器安装段24、第三连接件安装段25均呈圆柱状，第二连接件安装段23直径较第一连接段22减少0.1-0.15mm，第二连接件安装段23处于振动变幅杆的振型节点位置。所述配合定位段21和刀杆连接段26位于振动变幅杆2两端，刀杆连接段26用于连接刀杆。所述配合定位段21与内腔11底部配合相连，优选地，所述内腔11底部设置有圆形凹槽，圆形凹槽处安装有第一垫片12，所述第一垫片12外端设置有圆锥形凹槽，所述配合定位段21为圆锥体且与圆锥形凹槽匹配，圆锥的锥度为1:8，配合定位段21***安装在圆锥形凹槽内，配合定位段21和第一垫片12用于传递和承受轴向载荷，第一垫片12材料为玻璃纤维与PET按照夹心层结构复合而成，中间为PET，内外为玻璃纤维。
所述第二连接件安装段23与内腔11内壁之间安装有第二连接件231，第二连接件231内圈可以是圆形或其他形状，本实施例中，为了第二连接件231可以传递扭矩，优选地，采用多面体连接来传递扭矩，所述第二连接件231截面的外圈为与内腔11匹配的多边形，所述第二连接件231截面内圈和第二连接件安装段23截面为相互匹配的多边形，截面为非圆形，可传递扭矩。所述第二连接件231与第一连接件1固定连接，优选地，所述第二连接件231截面内圈和第二连接件安装段23截面为正八边形，第二连接件231的截面外圈为正六边形。进一步，第二连接件231和第一连接件1的连接方式优选为，所述第二连接件231与第一连接件1设置有相应的螺栓孔以通过螺栓连接固定并预紧，螺栓具体设置有三个，第二连接件231的螺栓孔为盲孔，所述第二连接件231与第二连接件安装段23之间安装有适配的第一垫圈232。第一垫圈232截面为正八边形，其由玻璃纤维与PET按照夹心层结构复合而成，中间为PET，内外为玻璃纤维，具有高弹性模量且具有一定的润滑作用，在振动变幅杆反复扭转的过程中，不易产生疲劳破坏。第二连接件安装段23的轴径较第一连接段22少0.1-0.2mm。
所述第二连接件231设置有断开处，所述断开处安装有第二垫片233，所述第二垫片233一端与第一垫圈232接触，另一端与第一连接件1接触，具体地，如图4所示，所述第二垫片233截面形状由两个直角折形块朝向相反拼接而成，且拼接处具有一定的圆弧和角度。这样当螺栓提供向中心压紧力的时候，保持各个部件间的紧密连接。且第二垫片233具有阻尼性质，能够隔振，即将振动变幅杆的振动与机床工作台隔离，同样的，防止机床刀具移动台的振动干扰振动变幅杆的振动。
致动器安装段24轴径约为第二连接件安装段23的1/2，压电致动器6安装在致动器安装段24，压电致动器6用于实现振动变幅杆的轴向谐振的振动，压电致动器6与超声波发生器通过电线连接，振动频率信号的传递通过无线发射器与无线接收器传递，并由编码机构编码和解码，压电致动器6具体为超声换能器，将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能。优选地，所述第二连接件安装段23和致动器安装段24组成一个阶梯轴，第一连接段22到致动器安装段24直径依次减小，致动器安装段24在径向上间隔设置有一对用于安装压电致动器6并与之匹配的安装凹槽。如图5所示，压电致动器6安装入安装凹槽后，其外圈设置有卡簧61夹紧固定，所述卡簧61靠近第二连接件安装段23的外周设置有台阶，所述台阶面呈正六面体并与第二连接件安装段23组成能匹配安装第二连接件231的第二凹槽，这样第二连接件231有一部分安装在卡簧61的台阶上，相当于对卡簧61有夹紧固定的作用，使得压电致动器6固定更加稳固，而卡簧61的台阶又对第二连接件231具有限位作用。
所述第三连接件安装段25设置有第一凹槽251，所述第一凹槽251与内腔11内壁之间安装有第三连接件2511，所述第三连接件2511与第一连接件1固定连接，所述第三连接件2511截面的外圈为与内腔11匹配，第三连接件2511与第一凹槽251之间设置有圆形垫圈。上述第二连接件231、第三连接件2511、第一垫圈、圆形垫圈以及卡簧61均由高弹性模量的材料制成，通过变形卡装进振动变幅杆2上。
所述第三连接件2511截面内圈为圆形，优选地，所述第一凹槽251和第三连接件2511对应设置有两个且沿轴线间隔设置。其中，所述振动变幅杆2的振型节点与第二连接件231、两个第三连接件2511的位置重合。安装时，第二连接件231与其中一个第三连接件2511旋转180°，两个第三连接件2511之间角度差为180°，主要是尽可能的减少由于安装连接件造成的动不平衡质量。
本实施例中，不同段的连接处均采用最佳的圆弧过渡，圆弧过渡的半径R3由连接处相邻两段横截面的等效直径D，长度L,D2，长度L2及振动放大系数N，参照及最佳过渡圆弧半径与放大系数N件的关系决定。确定步骤：圆角半径为R3，其大小确定步骤为：
第一步：依据
Figure GDA0002360191100000091
求出N值；
第二步：依据
Figure GDA0002360191100000092
求出A值；
第三步，查看阶梯型变幅杆最佳过渡圆弧半径与N之间的关系表，获得β值；
第四步，依据R3＝β·D1，求出R3值；
其中D1为六棱柱段横截面的等效直径，L1为六棱柱段长度，D2为过渡段中间位置的横截面的等效直径，L2为过渡段长度，N为放大系数。
为了刀杆连接段26的振动能达到良好的效果以及尽可能保证轴向振动的传递，所述致动器安装段24到第三连接件安装段25之间依次设置有延伸段27和中间轴段28。所述中间轴段28在整个振动变幅杆中直径最大，用于将轴向振动进一步均匀传递给第三连接件安装段25。延伸段27和中间轴段28的长度具体根据实际需求进行调整。
所述第三连接件安装段25和刀杆连接段26之间设置有第二连接段29，第二连接段29以高斯曲线为外形的圆柱体变幅刚，主要用于在将轴向振动达到很高的振动速度及较小振幅，满足高振动速度及低振幅要求，使其在一定振动周期内具有更快的振动速度，用于激励工作介质产生较高的速度，提高了加工效率及满足工件表面质量要求。第一连接件1与机床的刀具主轴连接以获得刀具的进给驱动。
本发明通过特殊结构的刀片8和刀杆7组成的刀具再配合超声振动***对工件进行深孔加工，微切削刃83的切削加工可提高工件表面质量，超声振动使得刀具深孔加工中发生颤刀的可能性急剧降低，可以优化切削参数，提高切削效率，深孔内侧的表面质量更好，其内表面与圆角处均无残留高度与毛刺，深孔加工过程中的切屑在刀片的限制性接触区域及超声振动和微切削刃作用下，切屑均较为细，不会对工件表面造成影响。限制接触区域避免了切屑过长，具有断屑的功能，而超声振动使得切屑与刀具的周期性接触与非接触，使的切屑更加容易断裂，降低了刀具的温度，提高了刀具的寿命，并在超声振动辅助的作用下，深孔内表面的加工后残留高度也被切除，提高了表面质量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种机油泵壳体内深孔高效加工***，其特征在于：包括刀杆(7)和固定安装在刀杆(7)上的刀片(8)，所述刀片(8)两侧具有切削刃，所述切削刃上设置有微切削刃(83)；
还包括第一连接件(1)和振动变幅杆(2)，所述振动变幅杆(2)一端装入第一连接件(1)内，一端伸出第一连接件(1)与刀杆(7)或工件固定连接，所述振动变幅杆(2)安装有一对压电致动器，用于产生超声振动辅助加工；
所述第一连接件(1)设置有截面为多边形的内腔(11)，所述振动变幅杆(2)插装在内腔(11)中；
所述振动变幅杆(2)包括按顺序依次设置的配合定位段(21)、第二连接件安装段(23)、致动器安装段(24)、第三连接件安装段(25)以及刀杆连接段(26)；
所述配合定位段(21)和刀杆连接段(26)位于振动变幅杆(2)两端，所述配合定位段(21)与内腔(11)底部配合相连，所述刀杆连接段(26)外端与刀杆或工件固定连接；
所述第二连接件安装段(23)与内腔(11)内壁之间安装有第二连接件(231)；
所述压电致动器(6)安装在致动器安装段(24)；
所述第三连接件安装段(25)设置有第一凹槽(251)，所述第一凹槽(251)与内腔(11)内壁之间安装有第三连接件(2511)，所述第三连接件(2511)与第一连接件(1)固定连接。
2.根据权利要求1所述的机油泵壳体内深孔高效加工***，其特征在于：所述刀片(8)两侧的切削刃中心对称设置。
3.根据权利要求1所述的机油泵壳体内深孔高效加工***，其特征在于：所述刀片(8)设置有多个，沿刀杆(7)轴向间隔设置。
4.根据权利要求1所述的机油泵壳体内深孔高效加工***，其特征在于：所述刀杆(7)上设置有用于导屑的圆弧结构。
5.根据权利要求1所述的机油泵壳体内深孔高效加工***，其特征在于：所述刀片(8)的前角2-3°，后角为10-15°。
6.根据权利要求1所述的机油泵壳体内深孔高效加工***，其特征在于：所述第一凹槽(251)和第三连接件(2511)对应设置有两个且沿轴线间隔设置。
7.根据权利要求1所述的机油泵壳体内深孔高效加工***，其特征在于：所述第二连接件安装段(23)和致动器安装段(24)组成一个阶梯轴，第一连接段(22)到致动器安装段(24)直径依次减小，所述压电致动器(6)外圈设置有卡簧(61)，所述卡簧(61)靠近第二连接件安装段(23)的外周设置有台阶，所述台阶与第二连接件安装段(23)组成能匹配安装第二连接件(231)的第二凹槽。
8.根据权利要求1所述的机油泵壳体内深孔高效加工***，其特征在于：所述内腔(11)底部设置有圆形凹槽，圆形凹槽处安装有第一垫片(12)，所述第一垫片(12)外端设置有圆锥形凹槽，所述配合定位段(21)与圆锥形凹槽匹配并***安装在圆锥形凹槽内。
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